圖文解說(shuō)：電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)

1、圖文解說(shuō)：電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)由ADI_Amy于 2016-8-5 創(chuàng)建的討論 喜歡顯示 0 喜歡0 評(píng)論0若不能度量，則無(wú)法管理。這是工業(yè)領(lǐng)域的一句口頭禪，尤其適合于流量測(cè)量。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，對(duì)流量監(jiān)測(cè)的需求越來(lái)越多， 常常還要求更高速度和精度的監(jiān)測(cè)。前不久ADI舉辦了在線研討會(huì)“工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì) ”，我們已經(jīng)分享了完整的講義文檔，需要的戳【在線研討會(huì)講義PPT下載】工業(yè)過(guò)程控制應(yīng)用的電磁流量計(jì)設(shè)計(jì)自取。這里我們?yōu)榇蠹抑v解下講義的部分內(nèi)容電磁流量變送器 信號(hào)鏈框圖電磁流量傳感器的特性是：無(wú)壓力損耗，不受速度、密度、溫度、壓力和傳導(dǎo)率的影響，可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。流量計(jì)系統(tǒng)由以下組件組成：電

2、源、信號(hào)調(diào)理、轉(zhuǎn)換器、處理器、顯示鍵盤和多個(gè)通信組件，比如無(wú)線，RS485/422，4-20毫安電流，HART。電磁流量變送器傳感器工作原理其工作原理基于法拉第電磁感應(yīng)定律。這意味著帶電導(dǎo)體通過(guò)一個(gè)磁場(chǎng)并切割磁力線時(shí)在管道兩側(cè)將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。電磁場(chǎng)是由電流流經(jīng)測(cè)量管外面的線圈產(chǎn)生的。感應(yīng)電壓的幅度直接與速度和導(dǎo)體的電導(dǎo)率、管道直徑以及磁場(chǎng)強(qiáng)度的成比例，具體來(lái)說(shuō)，我們可以將法拉第定律表述為 E = K x B x D x V，其中V表示導(dǎo)電流體的速度，B表示磁場(chǎng)強(qiáng)度，D表示測(cè)量管段的直徑，E表示電極上的電壓，而K是一個(gè)常數(shù)。B、D、K可以是固定值，因此方程簡(jiǎn)化為E與V的比例關(guān)系。大部分電磁流

3、量計(jì)使用低頻率方波來(lái)激勵(lì)傳感器線圈。可以是1/25、1/16，1/10或者1/4 電網(wǎng)頻率，以及電網(wǎng)頻率的一半。低頻方波勵(lì)磁的幅度不變，但改變電流流入流出線圈的方向。傳感器信號(hào)調(diào)理模擬前端共模抑制比共模電壓必須被電磁流量計(jì)轉(zhuǎn)換器所抑制，模擬前端電路在其中所起的作用最大。如果電路具有對(duì)于120 分貝共模抑制比，則0.28V 共模電壓可以降低至0.28 V，而如果共模抑制比是100 dB，則抑制為2.8 V。共模信號(hào)中的直流成分可以通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行交流耦合或者校準(zhǔn)得以消除。但是，共模信號(hào)中的交流成分即使經(jīng)過(guò)抑制也會(huì)呈現(xiàn)為噪聲成分，出現(xiàn)在放大器輸出端。它無(wú)法簡(jiǎn)單地通過(guò)交流耦合消除。必須采取措施，否則可

4、能影響噪聲性能。在120 dB共模抑制比的情況下，0.1V噪聲下降至0.1V。在100 dB共模抑制比的情況下，該噪聲僅能抑制到最低1V，因此共模抑制比參數(shù)很重要。電磁流量計(jì)信號(hào)處理電路架構(gòu)比較雖然具體的實(shí)現(xiàn)方式可能有所不同，電磁流量計(jì)的傳感器信號(hào)處理可以分為模擬同步解調(diào)和數(shù)字過(guò)采樣兩種主要方法。模擬解調(diào)是一種傳統(tǒng)的方法，但現(xiàn)今仍然在業(yè)內(nèi)使用廣泛。它通常使用前置放大器，帶通濾波放大器，采樣保持，同步解調(diào)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微控制器。下圖顯示典型的模擬同步解調(diào)電路的信號(hào)鏈。傳感器輸出的微伏或毫伏級(jí)信號(hào)首先被集成儀表放大器或者分立器件搭建的儀表放大器放大。要點(diǎn)是，前置放大器需要可以盡可能多地放大信號(hào)，但

5、同時(shí)有不能使用過(guò)大的放大倍數(shù)以至于受到共模影響而輸出飽和。第一級(jí)的增益通常不大于10倍。交流耦合信號(hào)采用帶通濾波器來(lái)進(jìn)一步放大信號(hào)到伏級(jí)。被放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)由微處理器控制邏輯時(shí)序的采樣保持和減法放大器，消除雜散并使之成為直流信號(hào)。直流信號(hào)進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它通常是16位分辨率，速率為幾千赫茲。16比特模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣這種伏級(jí)和直流輸入來(lái)說(shuō)足夠好。由于硬件電路消除瞬態(tài)干擾，完成了信號(hào)解調(diào)，信號(hào)被電路放大的數(shù)百倍之多，16位在低采樣率ADC通常足夠。由于ADC輸出數(shù)據(jù)頻率較低，因此微控制器的數(shù)據(jù)處理需求量也不大。數(shù)字過(guò)采樣不使用帶通濾波放大器、采樣保持、差分放大器等中間級(jí)電路。在之前的模擬信號(hào)處理在數(shù)

6、字域內(nèi)被實(shí)現(xiàn)。因?yàn)锳DC的采樣率高，模擬信號(hào)被預(yù)處理的少，所以數(shù)字域中的計(jì)算處理量就很大。這種架構(gòu)需要更強(qiáng)大的微處理器。過(guò)采樣的方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)：更少的元器件，更低的信號(hào)鏈物料成本，差分模擬信號(hào)的魯棒性，有可能利用的ADC的共模抑制比，更多的數(shù)字信號(hào)處理的靈活性，可以監(jiān)視傳感器瞬時(shí)特性。傳感器信號(hào)調(diào)理模擬前端噪聲預(yù)算一個(gè)典型的電網(wǎng)供電的電磁流量計(jì)的靈敏度通常在150V/（米/秒）到200V/（米/秒）之間。用175V/（米/秒）這個(gè)中間值為例，由于交替電流方向激勵(lì)，傳感器對(duì)0.01米/ s的流速的輸出為3.5VP-P。它需要模擬前端噪聲小于1.75VP-P來(lái)分辨。ADI提供很多優(yōu)秀低噪聲儀表

7、放大器，其中，AD8228折合到輸入端噪聲為0.5VP-P，AD8220噪聲0.94VP-P。對(duì)在信號(hào)鏈下游的ADC，建議把折算到放大器輸入端的總噪聲預(yù)算的三分之一分配給ADC。模擬同步解調(diào)前端之前已經(jīng)放寬對(duì)ADC噪聲的要求，因?yàn)閿?shù)百倍放大器的增益，通常采用16位ADC就足夠。數(shù)字過(guò)采樣結(jié)構(gòu)對(duì)ADC噪聲性能有挑戰(zhàn)性的要求，因?yàn)榍爸梅糯笃髟鲆嫱ǔ２怀^(guò)10倍，ADC必須有超過(guò)20+位分辨率的非常低的噪聲。若要實(shí)時(shí)分辨0.005米/秒的流速，ADC必須至少有20.7位無(wú)噪聲。Demo測(cè)試電路框圖：伏到毫伏傳感器輸出信號(hào)首先由AD8228儀表放大器放大10倍，然后使用由AD8622組成帶通濾波器放大

8、50倍信號(hào)到伏級(jí)電平。經(jīng)放大的信號(hào)通過(guò)使用采樣和保持，AD8276減法放大器組成的同步解調(diào)電路成為直流信號(hào)，送到AD7192的-ADC。數(shù)字化的樣本被送往從ADI的ARM Cortex-M3微處理器。微處理器還控制傳感器線圈的激勵(lì)，和各種輸出信號(hào)，包括4-20mA電流，頻率脈沖，并報(bào)警。隔離與ADuM744x 1千伏iCoupler數(shù)字隔離器實(shí)現(xiàn)的。評(píng)估結(jié)果：下圖顯示了采用模擬信號(hào)同步解調(diào)架構(gòu)的信號(hào)鏈包括所有的放大器和ADC噪聲的噪聲性能。電路板被連接到一個(gè)電磁流量信號(hào)模擬器。測(cè)試在每個(gè)ADC的輸出數(shù)據(jù)速率各采集4096樣本。結(jié)果顯示0.2的典型峰 - 峰值分辨率即使在4800 赫茲 AD71

9、92最高輸出數(shù)據(jù)速率也能達(dá)到。系統(tǒng)校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果采用模擬信號(hào)同步解調(diào)架構(gòu)的測(cè)試電路還在校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室里通過(guò)水流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。它連接到一個(gè)電磁流量傳感器。完整的信號(hào)處理前端電路，包括信號(hào)放大器輸入級(jí)，帶通濾波器，以及增益級(jí)和一個(gè)實(shí)際的流體系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。兩塊測(cè)試板在1米/秒至5米/秒范圍內(nèi)達(dá)到0.2的精度，0.055重復(fù)性。過(guò)采樣信號(hào)處理測(cè)試電路：推薦方案_2A該方案使用數(shù)字過(guò)采樣架構(gòu)，消除了帶通濾波器和同步解調(diào)等中間電路。 AD7172-2超低噪聲24比特模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器使得用一個(gè)比較低的外部放大器增益成為可能。唯一的放大器增益這里是AD8220 JFET輸入儀表放大器的10倍。OP07加匹配電阻分壓器把A

10、D8220的單端輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)給ADC，這樣可以充分地利用ADC的共模抑制比來(lái)進(jìn)一步衰減共模噪聲。ADSP-BF504F數(shù)字信號(hào)處理器被用來(lái)處理數(shù)字算法，因?yàn)槭褂脭?shù)字過(guò)采樣的數(shù)據(jù)處理的工作量大很多。該方案與我們的模擬同步解調(diào)的測(cè)試電路相比，能節(jié)省30的成本和降低20的噪聲，并且占用小得多的電路板面積。推薦方案_2A從圖的方案2A衍生出一個(gè)更低成本的方案2A，在性能上幾乎沒(méi)有損失。因?yàn)锳D7172-2集成有軌到軌輸入的片內(nèi)緩沖器并且可以支持多種輸入類型，負(fù)責(zé)單端到差分轉(zhuǎn)換的運(yùn)算放大器和精密分壓電阻被刪除。 AD7172-2可以接受從AD8220輸出的偽差分信號(hào)。從而該方案的成本與我們的模

11、擬同步解調(diào)的方案相比降低40以上。推薦方案_2B有備用的方案總是很好的。方案B與方案A很相似，但方案B的單端信號(hào)轉(zhuǎn)差分電路采用AD8475精密全差分漏斗放大器完成。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是更高的集成度，比采用分立電阻分壓器的失真更小。 AD8475能驅(qū)動(dòng)廣泛多樣的高精度ADC。帶SDP-B的EMF-AFE框圖這是一款早期的測(cè)試電路板框圖，在它上面測(cè)試了多種方案，包括用差分模擬輸入方式實(shí)現(xiàn)了2A和2B，并測(cè)試了偽差分模擬輸入的2A。除此之外，電路板還包括4種驅(qū)動(dòng)器電路：線性穩(wěn)壓電流源，開關(guān)模式電流源，光耦合器隔離，iCoupler數(shù)字隔離。該測(cè)試電路由帶有圖形用戶界面的計(jì)算機(jī)軟件控制，通過(guò)ADI系統(tǒng)演示

12、平臺(tái)板進(jìn)行通訊。全部的數(shù)據(jù)處理工作都在PC機(jī)上完成。軟件還提供4-20毫安電流和頻率脈沖輸出。這些輸出信號(hào)可以跟流量計(jì)標(biāo)定系統(tǒng)接口，因此該測(cè)試電路板可以連接到電磁流量傳感器和流量標(biāo)定系統(tǒng)中進(jìn)行性能測(cè)試。下圖是測(cè)試電路板的照片。該板包含三種不同的模擬前端選項(xiàng)，以及四種傳感器驅(qū)動(dòng)電路組合選擇。因此它沒(méi)有為電路板尺寸做優(yōu)化。模擬前端電路位于板的左下方。傳感器線圈激勵(lì)電路位于左上方?？梢钥吹浇饘偻鈿し庋b的功率晶體管，這是線性穩(wěn)壓電流源的一部分，巨大的尺寸。相比較而言，開關(guān)模式恒流電路占用小得多的面積。系統(tǒng)演示平臺(tái)板負(fù)責(zé)通信和控制位于右下角。它通過(guò)一個(gè)微型USB接口連接到PC。過(guò)采樣EMF-AFE (S

13、DP-B)評(píng)估結(jié)果放大器輸入短路，折算到輸入端峰峰值噪聲(V)和分辨率該測(cè)試電路進(jìn)行過(guò)噪聲評(píng)估試驗(yàn)。下圖的兩張圖顯示了短接前級(jí)放大器輸入，運(yùn)行ADC在不同的輸出數(shù)據(jù)速率的電路噪聲結(jié)果。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，折算到放大器輸入端噪聲在ADC 50赫茲輸出數(shù)據(jù)率條件下仍然小于1V峰峰值或超過(guò)20位的無(wú)噪聲分辨率。該結(jié)果符合我在前面的討論中提出的噪音預(yù)算分配。這意味著，在數(shù)據(jù)刷新速率高達(dá)50赫茲的條件下，該電路仍然可以分辨低至0.005米/秒的瞬時(shí)流速。連接到流量信號(hào)仿真器下圖測(cè)試小信號(hào)下的噪聲和響應(yīng)。在測(cè)試中，電路板通過(guò)一個(gè)精密分壓電阻網(wǎng)絡(luò)連接到電磁流量計(jì)信號(hào)仿真器，從而模擬1毫米，2毫米，和5毫米每秒的低

14、流速信號(hào)的輸出。結(jié)果顯示了良好的線性響應(yīng)特性，可以分辨5毫米每秒的瞬時(shí)流速。同步解調(diào)模數(shù)轉(zhuǎn)換樣本由于模擬同步解調(diào)電路在測(cè)試電路上已經(jīng)被取消，該功能必須在數(shù)字域中被完成。下圖的波形圖解釋了同步解調(diào)如何在數(shù)字邏輯中被實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)軟件通過(guò)ADI系統(tǒng)演示平臺(tái)板SDP-B發(fā)出兩個(gè)專用定時(shí)器控制的線圈驅(qū)動(dòng)器信號(hào)1和2來(lái)激勵(lì)電磁流量傳感器線圈或模擬器。 傳感器或模擬器輸出與激勵(lì)信號(hào)同步的信號(hào)。 測(cè)試電路板在SDP-B板的SPI接口的控制，采集放大并數(shù)字化的傳感器輸出信號(hào)。 流量算法需要知道的同步解調(diào)的邏輯時(shí)序。使用AD7172-2 SYNC / ERROR輸入引腳采樣驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)1，在每一個(gè)A / D轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)幀里包括該驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)。 按照驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)的邏輯狀態(tài)把A / D采樣兩個(gè) 組。每個(gè)組中剔除尖峰，計(jì)算平均值。 正相勵(lì)磁半周的A/D平均值，減去負(fù)相勵(lì)磁半周的A/D平均值，就得出跟瞬時(shí)流速成正比的A/D值。需要做一些進(jìn)一步處理以得到米/秒的結(jié)果，并校準(zhǔn)零偏移，增益誤差和非線性。累計(jì)體積流量也根據(jù)管徑和運(yùn)行計(jì)算得到。下圖以兩個(gè)不同的流量條件下為例，解釋了在數(shù)字域里同步解調(diào)算法是如何工作的。我們